基于激光點(diǎn)云的建筑裂縫與外觀缺陷檢測(cè)方法研究

摘" 要：探究將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于房屋安全性鑒定，通過(guò)采用傳統(tǒng)檢測(cè)手段對(duì)基于激光點(diǎn)云建筑裂縫與外觀缺陷檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，驗(yàn)證激光點(diǎn)云檢測(cè)建筑物表面裂縫和外觀缺陷的可行性和可靠性，為城市老舊建筑、自建房屋開(kāi)展建筑體檢提供技術(shù)保障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)果表明，南寧6棟建筑人工檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)304處缺陷，與三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)建筑裂縫與外觀缺陷的檢測(cè)結(jié)果比較，建筑缺陷錯(cuò)漏21處，錯(cuò)漏率為6.9%。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；房屋安全性鑒定；激光點(diǎn)云；建筑裂縫；外觀缺陷檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P258" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0137-05

Abstract： The purpose of this paper is to explore the application of three-dimensional laser scanning technology to the safety appraisal of buildings， and to repeatedly detect the results of cracks and appearance defects of buildings based on laser point cloud by using traditional detection methods. verify the feasibility and reliability of laser point cloud detection of building surface cracks and appearance defects， provide technical guarantee for building physical examination of old urban buildings and self-built buildings， and find potential safety risks in time， to ensure the safety of people's lives and property. The results show that a total of 304 defects were found in 6 buildings in Nanning. Compared with the detection results of cracks and appearance defects detected by three-dimensional laser scanning technology， 21 building defects were missed， and the error rate was 6.9%.

Keywords： three-dimensional laser scanning technology; building safety evaluation; laser point cloud; building cracks; appearance defect detection

中國(guó)改革開(kāi)放40多年來(lái)，建筑業(yè)飛速發(fā)展，城市建成區(qū)面積和人均住房面積不斷增加，新建筑不斷崛起的背后是大量老舊建筑達(dá)到使用年限。但建筑物由于受到環(huán)境等諸多不可控因素的影響，部分建筑會(huì)提前出現(xiàn)無(wú)法工作或結(jié)構(gòu)破壞的情況。因此，對(duì)建筑裂縫和外觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患這項(xiàng)工作十分必要。目前，對(duì)于建筑物表面出現(xiàn)的裂縫和外觀缺陷，主要依靠人眼觀測(cè)和使用接觸式測(cè)量?jī)x器獲取特征信息，傳統(tǒng)的人工測(cè)量檢測(cè)方法存在成本高、精度較低等諸多缺點(diǎn)[1]，檢查人員的安全也無(wú)法保障。另外，人工識(shí)別建筑裂縫與外觀缺陷和測(cè)量工作對(duì)相關(guān)人員的能力和經(jīng)驗(yàn)要求較高，檢測(cè)結(jié)果易受檢查人員的主觀性影響，準(zhǔn)確性得不到保證。傳統(tǒng)的建筑物表觀缺陷檢測(cè)方法無(wú)法滿足大面積、高效率的篩查需求，探索一種非接觸式、數(shù)字化、便捷的建筑物表面裂縫檢測(cè)方法對(duì)當(dāng)今社會(huì)的需求和發(fā)展顯得尤為重要。

近年來(lái)智能檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)建設(shè)工程，大幅提高了建設(shè)工程檢測(cè)的廣度、精度及效率。三維激光掃描技術(shù)是目前使用最廣泛的無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)之一，其具有快速、實(shí)時(shí)、非接觸等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]，能以毫米級(jí)精度快速生成被測(cè)對(duì)象大量表面點(diǎn)的高精度空間坐標(biāo)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可快速獲取被測(cè)物幾何外形和建筑表觀缺陷信息?；诩す恻c(diǎn)云并采用傳統(tǒng)的檢測(cè)手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，評(píng)定其技術(shù)的準(zhǔn)確性和正確性。

1" 三維激光掃描技術(shù)及軟硬件配置

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比有很多優(yōu)勢(shì)[3]，通過(guò)快速掃描被測(cè)物體，不需反射棱鏡，可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀的高效作業(yè)方式可以在短時(shí)間內(nèi)全方位地獲取建筑的尺寸、紋理信息，因此使用該技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量建筑進(jìn)行高質(zhì)量的檢測(cè)工作具有突出的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用Trimble X7三維激光掃描系統(tǒng)（如圖1所示）對(duì)建筑進(jìn)行全方位的掃描，采用的相關(guān)軟件，有Trimble Perspective外業(yè)軟件及Trimble RealWorks應(yīng)用軟件，并以棟為單位構(gòu)建建筑點(diǎn)云模型。

2" 研究案例

2.1" 案例概況

本文研究對(duì)象為南寧市行政區(qū)劃范圍內(nèi)6棟小區(qū)住宅建筑，其建筑使用年限超30年，磚混結(jié)構(gòu)，層數(shù)為3層，建筑物表觀缺陷主要有裂縫、脫落、滲水和露筋等。

2.2" 技術(shù)要求

2.2.1" 坐標(biāo)基準(zhǔn)

掃描作業(yè)與國(guó)家大地坐標(biāo)系建立聯(lián)系，采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.2.2" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集要求

控制網(wǎng)應(yīng)全面控制掃描區(qū)域，控制點(diǎn)均勻分布在目標(biāo)四周，控制點(diǎn)標(biāo)志采用平面標(biāo)靶；激光掃描站應(yīng)設(shè)置在無(wú)振動(dòng)且通視條件好的安全區(qū)域，掃描站之間應(yīng)有一定的重疊度；標(biāo)靶應(yīng)均勻分布在目標(biāo)物的四周，任意2個(gè)標(biāo)靶之間的距離不宜小于10 m，且不宜放置在同一高度上，標(biāo)靶識(shí)別的允許點(diǎn)位中誤差宜為±3 mm；采用點(diǎn)云特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)站配準(zhǔn)時(shí)，相鄰掃描站點(diǎn)間有效點(diǎn)云的重疊度不應(yīng)低于30%，儀器在掃描數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)分析判斷原因并在采取處置措施后，重新進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

2.2.3" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理要求

點(diǎn)云配準(zhǔn)應(yīng)采用統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，采用特征點(diǎn)配準(zhǔn)時(shí)，特征點(diǎn)不應(yīng)共線或共面；點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在脫離掃描目標(biāo)物的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)時(shí)，可采用濾波或人機(jī)交互的方式進(jìn)行降噪處理；點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀不應(yīng)影響目標(biāo)物特征識(shí)別與提取，信息融合宜包括激光反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、色彩紋理信息等，融合后的點(diǎn)云宜保存為通用數(shù)據(jù)格式；特征提取宜包括剔除非目標(biāo)物、點(diǎn)云分類(lèi)、人工提取或擬合計(jì)算等。

2.2.4" 點(diǎn)云建模要求

點(diǎn)云模型尺寸應(yīng)以米為單位表示；對(duì)于規(guī)則模型，點(diǎn)云部分缺失無(wú)法準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，可依據(jù)可見(jiàn)部分尺寸推算隱蔽尺寸。對(duì)于圓柱面等曲面模型，直接根據(jù)點(diǎn)云交互建模不能保證點(diǎn)云和模型完全吻合，應(yīng)交互選擇曲面上的點(diǎn)云來(lái)擬合曲面；對(duì)于不規(guī)則表面，無(wú)法進(jìn)行交互式建模，需先利用點(diǎn)云建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型，對(duì)建立的三角網(wǎng)進(jìn)行孔洞填充、邊修補(bǔ)、簡(jiǎn)化和光滑化等處理。建模過(guò)程中，由于編輯、修改、刪除等原因，成果中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有任何面的空對(duì)象，須將空對(duì)象刪除。建模完成后應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)檢查，保證模型內(nèi)部點(diǎn)、線、面之間的邏輯關(guān)系正確，便于模型在不同使用平臺(tái)之間轉(zhuǎn)換。

2.3" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

數(shù)據(jù)采集流程主要包括控制測(cè)量、掃描站布設(shè)、標(biāo)靶布設(shè)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、照片采集、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和各類(lèi)剖面圖制作等步驟[4]。進(jìn)行點(diǎn)云掃描時(shí)，要將設(shè)置的距離盡量縮小，確保掃描模式足夠精細(xì)，保證后期工作標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)的提取精度[5]，三維激光掃描最好在施工停歇期間進(jìn)行，盡量減少對(duì)施工造成的影響[6-7]。

點(diǎn)云預(yù)處理主要包括點(diǎn)云降噪和點(diǎn)云壓縮，結(jié)合人工可視化交互和濾波算法去除噪聲點(diǎn)，然后進(jìn)行點(diǎn)云壓縮。圖像數(shù)據(jù)處理包括圖像色彩調(diào)整、變形糾正、圖像配準(zhǔn)和格式轉(zhuǎn)換。選擇點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)相機(jī)與掃描儀的姿態(tài)參數(shù)制作彩色點(diǎn)云，制作完成的彩色點(diǎn)云在圖像重疊區(qū)域無(wú)明顯色彩差異。三維模型制作包括點(diǎn)云分割、模型制作、紋理映射。通過(guò)三維激光技術(shù)掃描建筑物獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并建模（如圖2所示），解決了實(shí)體建筑物到數(shù)字建筑物的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

2.4" 建筑裂縫和外觀缺陷識(shí)別和提取

在建筑物點(diǎn)云模型上實(shí)現(xiàn)建筑裂縫和缺陷外觀的空間位置、尺寸、分布狀況等信息的識(shí)別和提取。建筑的外觀缺陷主要表現(xiàn)在建筑表面脫落、滲水和漏筋，從點(diǎn)云上識(shí)別建筑表面脫落、滲水和漏筋的面積和空間位置信息。

2.4.1" 建筑表面脫落識(shí)別

采用點(diǎn)云分割處理建筑點(diǎn)云模型，將每個(gè)建筑面單獨(dú)分割開(kāi)，對(duì)建筑表面脫落進(jìn)行識(shí)別提取和分析。三維激光掃描儀采集到的建筑表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、激光反射強(qiáng)度以及顏色信息。將獲取到的帶顏色信息的某建筑表面部分區(qū)域數(shù)據(jù)可視化，人眼直接觀察出建筑表面上的脫落區(qū)域。通過(guò)脫落區(qū)域與非脫落區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息對(duì)比，2種區(qū)域之間的反射強(qiáng)度信息和RGB顏色大小差異，可以直接將點(diǎn)云進(jìn)行顏色賦色后人工識(shí)別提取。

2.4.2" 脫落面積和空間位置信息計(jì)算

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后有了基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的絕對(duì)空間位置坐標(biāo)，將分割后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出通用格式后，直接在常用點(diǎn)云繪圖軟件上進(jìn)行繪制和定位，在后處理軟件上提取建筑脫落面積和空間位置信息（如圖3所示）。

2.4.3" 建筑裂縫識(shí)別和提取

建筑裂縫是建筑檢測(cè)中經(jīng)常碰到的病害類(lèi)型，一般建筑工程檢測(cè)中，對(duì)建筑裂縫的寬度檢測(cè)要求比較高，通常需要達(dá)到0.01 mm，而由于三維激光的掃描的精度指標(biāo)，三維激光點(diǎn)云的精度目前只能達(dá)到毫米級(jí)，因此本研究通過(guò)三維激光掃描檢測(cè)建筑裂縫主要是針對(duì)毫米級(jí)以上的大的裂縫來(lái)進(jìn)行識(shí)別和提取。

在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，根據(jù)建筑表面結(jié)構(gòu)按面進(jìn)行分割和后處理，通過(guò)不同的點(diǎn)云賦色模式下點(diǎn)云顯示的效果不同，來(lái)識(shí)別提取裂縫，并通過(guò)后處理軟件計(jì)算出裂縫的長(zhǎng)度和寬度信息（如圖4、圖5所示）。最后統(tǒng)計(jì)分析建筑表面已檢測(cè)出的裂縫病害。

3" 人工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

對(duì)照三維激光掃描的成果，采用傳統(tǒng)檢測(cè)手段對(duì)三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證建筑裂縫和外觀缺陷的形狀、位置、長(zhǎng)度和寬度等量化指標(biāo)，計(jì)算其精度，以驗(yàn)證新技術(shù)、新方法檢測(cè)建筑物表面裂縫和外觀缺陷的可行性、適用性、準(zhǔn)確性和可靠性。

3.1" 建筑裂縫與外觀缺陷精度要求

1）建筑裂縫寬度精度要求。根據(jù)CECS 293：2011《房屋裂縫檢測(cè)與處理技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度檢測(cè)精度不應(yīng)小于0.1 mm。

2）建筑裂縫長(zhǎng)度精度要求。建筑裂縫長(zhǎng)度精度要求參照點(diǎn)云模型精度，即長(zhǎng)度中誤差為1.5 cm。

3）外觀缺陷面積精度要求。外觀缺陷面積精度參照GB/T 50353—2013《建筑工程面積計(jì)算規(guī)范》相關(guān)要求，中誤差不大于（0.04+0.003S）m2，其中S為被測(cè)面積。

4）錯(cuò)漏精度。裂縫、外觀缺陷（脫落、滲水、露筋）錯(cuò)漏精度錯(cuò)漏率小于10%。

3.2" 驗(yàn)證方法

外觀缺陷空間位置和面積直接在點(diǎn)云模型上量取，建筑裂縫寬度和長(zhǎng)度的驗(yàn)證方法主要有2種。

1）現(xiàn)場(chǎng)直接量取?，F(xiàn)場(chǎng)采用裂縫測(cè)寬儀對(duì)建筑裂縫直接測(cè)量，將讀數(shù)與原檢測(cè)寬度對(duì)比驗(yàn)證；采用直尺、鋼卷尺、激光測(cè)距儀等測(cè)量裂縫長(zhǎng)度，將讀數(shù)與原檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比驗(yàn)證。

2）抽樣驗(yàn)證。按不低于總建筑裂縫的15%抽取進(jìn)行驗(yàn)證，其中靠近地面的建筑裂縫采用直接測(cè)量的方法驗(yàn)證，2層以上建筑裂縫進(jìn)行點(diǎn)云模型驗(yàn)證。

3.3" 建筑裂縫的長(zhǎng)度和寬度驗(yàn)證結(jié)果

建筑裂縫的長(zhǎng)度和寬度驗(yàn)證結(jié)果詳見(jiàn)表1、表2。經(jīng)計(jì)算，建筑裂縫長(zhǎng)度、寬度均未超限，其中長(zhǎng)度的最大誤差為10 mm，寬度的最大誤差為0.11 mm。

3.4" 質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

3.4.1" 精度計(jì)算及質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法

同精度檢測(cè)、驗(yàn)證時(shí)，長(zhǎng)度、寬度中誤差計(jì)算公式如下

式中：Δd為長(zhǎng)度、寬度較差，n為點(diǎn)數(shù)，允許中誤差M0=M。根據(jù)檢測(cè)中誤差的絕對(duì)值與允許中誤差的比例關(guān)系，計(jì)算檢測(cè)內(nèi)容的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。數(shù)學(xué)精度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

3.4.2" 評(píng)價(jià)結(jié)果

建筑裂縫和外觀缺陷量化精度從建筑裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度、外觀缺陷面積和外觀缺陷空間位置等方面進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算驗(yàn)證中誤差和誤差比例，通過(guò)誤差比例計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)，評(píng)價(jià)質(zhì)量等級(jí)。經(jīng)驗(yàn)證，各項(xiàng)質(zhì)量等級(jí)均為“優(yōu)”，見(jiàn)表4。

對(duì)照三維激光掃描的成果，人工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證建筑裂縫和外觀缺陷是否存在計(jì)算錯(cuò)判、漏判的數(shù)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，6棟建筑物304個(gè)建筑裂縫和外觀缺陷中多判0處，漏判21處，錯(cuò)判0處，合計(jì)錯(cuò)漏21處，錯(cuò)漏率6.9%低于10%，符合要求，見(jiàn)表5。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文以南寧市某建筑為例，介紹了三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑裂縫與外觀缺陷檢測(cè)方法研究，研究結(jié)果表明：三維激光掃描共識(shí)別建筑物表觀缺陷283處，實(shí)際有304處，識(shí)別率93.09%，缺陷識(shí)別率高；各項(xiàng)指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)90分，質(zhì)量等級(jí)均為“優(yōu)”，關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)確性好；相比傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有無(wú)接觸、快速、準(zhǔn)確、數(shù)字化程度高和數(shù)據(jù)通用性好的優(yōu)勢(shì)；在工程檢測(cè)應(yīng)用方面，可單獨(dú)或融合傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法，對(duì)城市老舊小區(qū)等建筑實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？焖贆z測(cè)，并可對(duì)地鐵、隧道、管廊和橋梁等進(jìn)行周期性全面檢測(cè)，應(yīng)用前景廣泛；三維激光掃描技術(shù)受儀器性能、搭載平臺(tái)、障礙物等影響，應(yīng)用場(chǎng)景有一定限制，在實(shí)際工程中需根據(jù)不同場(chǎng)景選擇不同的檢測(cè)方法，在提高工作效率的同時(shí)，減少缺陷的錯(cuò)判與漏判。

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